Inyección del combustible

Duración de la inyección

El intervalo de la inyección debe ser extremadamente corto. Si se inyecta combustible en el cilindro durante un tiempo definido, pero muy corto, que se conoce con el nombre de “duración de la inyección” y empieza cuando el émbolo se mueve rápidamente hacia el final de la carrera de compresión. En este momento, la presión del cilindro se aproxima rápidamente al valor máximo, de manera que el inicio de la ignición añade a esta presión de compresión otra complementaria, producida por el calor que desprende el combustible quemado antes de que el émbolo llegue al punto muerto superior.

Esto produce lo que se conoce con el nombre de punta de presión. Cuando la inyección del combustible tiene lugar demasiado pronto en la carrera de compresión, la presión máxima, excesivamente elevada , que resulta de una inyección prematura, causa efectos excesivos sobre los órganos del motor, los cuales se ven sometidos a fatigas, que pueden comprometer la seguridad de la maquina. El fenómeno, en su conjunto, es semejante a lo que sucede en un motor de gasolina cuando hay un excesivo avance a la explosión.

Importancia de la oportunidad de la ignición.

La termodinámica del motor Diesel exige que en el momento de la inyección tenga un avance correcto, que depende de las características del motor en cuestión. No se debe retardar mas de un cierto límite el momento de la inyección. Cuando la combustión y la inyección continúan mas allá del punto muerto superior, no hay tiempo suficiente para la combustión de todo el combustible.

Cuando el émbolo ha recorrido una distancia que corresponde a algunos grados después del punto muerto superior, la velocidad del émbolo empieza a aumentar muy rápidamente, a consecuencia de que es mayor la altura recorrida por el muñón del cigüeñal. La temperatura del cilindro desciende rápidamente. El combustible que se inyecta a partir de cierta posición subsiguiente al punto muerto superior no puede entrar en ignición con suficiente rapidez para mantener la temperatura, porque esta desciende muy rápidamente, a causa del aumento del volumen de la cámara de combustión.

Esto produce una combustión retrasada e incompleta, la cual es tan poco conveniente como el retraso de la chispa de un motor de nafta. La potencia desarrollada resulta muy pequeña y el escape excesivamente caliente.

Limites de la duración de la inyección

Es evidente que la duración de la inyección esta limitada en su comienzo por la posibilidad de una presión máxima excesivamente elevada, y en su final, porque no conviene  una combustión demasiada retrasada e incompleta. El intervalo en que puede tener lugar la inyección se reduce a una décima del giro del eje del cigüeñal o sea 36º.

En caso de un  motor lento estacionario o marino, una décima de revolución representa únicamente 8/100 de segundos como máximo. En los motores rápidos para automóviles, que giran a 2000 revoluciones por minuto, el tiempo apto para la inyección, que debe tener  lugar durante  un ángulo del cigüeñal de 36º o menos, es alrededor de 5/1000 de segundos .

Rapidez de la distribución y de la oxidación de combustible

Debe recordarse que, cuando empieza la inyección, el combustible tiene la forma de una masa fría y compacta, concentrada en la tobera de inyección. Al final del periodo de inyección el combustible ha sido inyectado gradualmente, se ha combinado con el aire, se ha quemado y se ha transformado en una mezcla de gases a temperatura muy elevada. En su admisión ha sido dividido en partículas muy pequeñas (atomizado o pulverizado) por medio de un proceso muy complejo que la prepara para su distribución y oxidación en la cámara de combustión. Debe comprenderse claramente este proceso de distribución y oxidación.

Necesidad de que  la pulverización sea perfecta

El proceso de inyección debe llevarse a cabo de tal modo que el combustible se pulverice y se convierta en un conjunto de gotitas cuyo diámetro sea menor que una décima de milímetro. Esta s partículas de combustible deben penetrar en la cámara de combustión por todas partes , venciendo la viscosidad y la tensión superficial del combustible y la densidad del aire caliente que se encuentra en la cámara  a una presión de 35 kg/cm3  Esto significa que en la inyección se debe acelerar el combustible, elevando su velocidad que es nula en la tobera de inyección, a 120 o 150 metros por segundos, con suficiente penetración para vencer la acción retardatriz del aire comprimido que se encuentra en el cilindro. El trabajo que se consume en la inyección es gastado, por lo tanto, muy rápidamente , debido al intervalo muy corto que se dispone para la inyección.

Cuando el combustible, o parte de el, se proyecta en la cámara de combustión con una fuerza o presión menor que la necesaria para su conveniente pulverización, penetración y distribución, resulta que se quema imperfectamente, en particular las porciones introducidas durante el final del periodo de inyección.

Por consiguiente, el mecanismo de inyección debe desarrollar e invertir un máximo de energía, es decir , el impulso de la bomba ha de empezar y acabar rápidamente, para que la potencia que esta desarrolle aumente y disminuya de manera brusca.

Pequeñez de las cantidades del combustible inyectado

Las cargas de combustibles introducidas por el mecanismo inyector en cada cilindro, durante una revolución, son extremadamente pequeñas. Las cargas de combustibles deberán variar según la potencia que se exija del motor y variara de una gotita en los motores rápidos mas pequeños a media taza de las de café en los mas grandes motores marinos. Es evidente que en los pequeños motores a gran velocidad, será necesario una presión de inyección sumamente elevada, y que si la inyección ha de llevarse a cabo como es debido, el intervalo de que se dispone es extremadamente corto. Los motores grandes y lentos disponen de un intervalo mayor.

Pulverización del combustible por medio de la inyección

Se llama  así a la división del combustible en pequeñas gotitas durante la inyección, la cual se llevara a cabo a una velocidad grande, debido al poco tiempo de que se dispone. Tan solo la superficie exterior de una gotita de combustible se quema o se combina con el oxigeno en la cámara de combustión. La mayor parte de cada gotita quedara intacta hasta que la capa que la envuelva se halla quemado, o sea que si las gotas son demasiados grandes, el combustible se quemará con un retraso excesivamente grande. Esta combustión tardía o incompleta tiene las mismas malas consecuencias  que un retraso en la inyección, lo que se puede corregir avanzando la inyección, pero es difícil  remediar así una combustión retasada, debido a que hay siempre algunas gotitas  que son bastante pequeñas  para quemarse con un retraso pequeño, de manera que un avance en la inyección producirá en parte  una pre-ignición. A consecuencia de esto, el chorro inyectado debe componerse de gotitas muy pequeñas. La presión de inyección debe ser siempre lo suficientemente alta para producir un desmenuzamiento adecuado de las gotas de combustible y se consigue con facilidad con el sistema de “inyección por aire”, pero es considerablemente mas difícil en los motores en que el combustible se inyecta sin aire comprimido, llamados también “sin compresor” o de “inyección sólida”.

El combustible se inyecta en orificios muy pequeños practicados en la tobera, la presión de inyección es muy alta con el objeto de conseguir una elevada velocidad. Los orificios de la tobera se trazan de manera que al salir el chorro de combustible, este se rompa en gotitas y se proyecte en la cámara de combustión. El chorro pulverizado se produce por la contracción de la vena que atraviesa el orificio y por la velocidad y presión a que esta sometido el combustible.

Penetración del chorro de combustible

El chorro de combustible debe penetrar en el seno del aire, comprimido y extremadamente denso en espacio suficiente para asegurar que se mezcle con el combustible tanto aire comburente como sea posible, y que este reaccione con aquel durante el poco tiempo de que se dispone. El combustible debe salir de la tobera de inyección con gran velocidad, al objeto de que el aire que rodea la tobera no se consuma antes de que se haya quemado toda la carga de combustible inyectado. Si la velocidad de las partículas de combustibles no es muy rápida y la penetración no es suficiente, el combustible inyectado permanece rodeado de gases inactivos y queda aislado del resto del aire de admisión, la cual es causa de un retraso en el final de la combustión. De esto se deduce que si el combustible no consigue penetrar a una profundidad suficiente de la cámara de combustión, esta termina con gran retraso.

Teoría del orificio de inyección

Se sabe que el combustible circulara sin turbulencia ni discontinuidad por el interior de un tubo de diámetro dado, a una cierta velocidad media, aunque la velocidad en una sección transversal variara de una manera continua. En estas circunstancias la capa de combustible, en contacto con la pared, se mueve a una velocidad extremadamente pequeña, muy próxima a cero, que es su valor limite, mientras que el combustible mas alejado de las paredes del tubo se mueven con su velocidad máxima.

Cuando se aumenta la velocidad con una restricción del tubo, que es lo que se hace en las toberas de pulverización donde el diámetro de los orificios de inyección es muy pequeño, no hay continuidad en la vena , de manera que el combustible que se mueve rápidamente en el centro del orificio se separa del que se retrasa a causa de su proximidad con las paredes de la tobera. Hay otros factores que influyen en la formación del chorro pulverizado, tales como la tensión superficial del liquido y su viscosidad a la temperatura a que se encuentra el orificio. La pulverización consiste esencialmente en acelerar de una manera adecuada el movimiento del combustible reduciendo la sección de los orificios de paso, de manera que la velocidad sea mayor que la velocidad critica a que se disgregan las partículas de combustible, a consecuencia de que las animadas de un movimiento mas rápido se separan de las de menor velocidad. El trazado de los orificios de la toberas de inyección directa de los motores sin compresor, se reduce a aplicar una forma conica (la punta de una manguera de riego da idea de la manera en que funciona una tobera de inyección de combustible).

Las toberas de los motores Diesel tienen orificios de 0,2 a 1,5 mm. de diámetro. La pulverización, la penetración y la forma del chorro pulverizado y el ángulo de su cono dependen de la razón de las dos dimensiones del orificio, diámetro y longitud. Cuanto mayor es la longitud en relación al diámetro, mayor es la penetración y menor el ángulo del cono del chorro.

Turbulencia

La turbulencia es un fenómeno que ayuda a la penetración del combustible y que consiste en un movimiento de torbellino que se produce en la cámara de combustión mientras se inyecta el combustible, y después de ello; este movimiento de torbellino se consigue, entre otros medios, dando formas especiales a la cámara de combustión. Con esta turbulencia se consigue aumentar la velocidad con que el aire se mezcla con las partículas de combustible. Si la cámara de combustión no tiene la forma que corresponde al chorro de combustible es importante que haya turbulencia si no se regula la penetración conveniente del chorro.

Muchos motores Diesel de inyección por aire no poseen un dispositivo especial para lograr la turbulencia. El modo habitual de obtenerla en los motores de inyección sólida, es trazar la cámara de combustión y la cabeza del pistón de manera que el mismo movimiento del pistón, o algún remolino que se produzca en el medio gaseoso en el inicio de la combustión cause la turbulencia en la cámara de combustión. Los motores de inyección por aire, tienen la ventaja que el aire comprimido que se insufla para la inyección del combustible produce turbulencia. La penetración y la pulverización son características opuestas, de manera que cuando se aumenta una de ellas se disminuye la otra y en muchos tipos de cámaras de combustión es preciso crear la turbulencia. Las gotitas de combustible pulverizado son tan pequeñas que pierden velocidad rápidamente a poca distancia del orificio de inyección, ya que por su poca masa, no pueden vencer la resistencia del aire comprimido. Por lo tanto, la turbulencia es esencial para distribuir las gotitas del combustible cuando este esta  tan finamente dividido que la misma pequeñez de las partículas impide su penetración en la cámara de combustión. Esto se aplica, especialmente, a motores rápidos para camiones, automóviles, tractores y aviones, la mayoría de los cuales son proyectados de manera que se consigue la máxima turbulencia para conseguir que el pequeño intervalo de que se dispone para la inyección y la combustión, esta se realice perfectamente.

En ciertos motores en que se ha intentado obtener una mayor turbulencia se ha tropezado con la dificultad de que el combustible tiene tendencia a depositarse en las superficies frías que limitan la cámara de combustión. Debe entonces extremarse la atención para evitar que el torbellino de aire mezclado con combustible pulverizado, precipite este sobre las paredes de la cámara de combustión.